城镇产业布局基础空间信息数据库 系统的设计与实现

第29卷　第1期

2010年1月地　　理　　研　　究GEO GRA P HICAL 　RESEA RC H Vol 129, No 11Jan 1, 2010

城镇产业布局基础空间信息数据库

系统的设计与实现

曹云刚1, 朱晓华23, 丁晶晶2

(11西南交通大学土木工程学院测量工程系, 成都610031; 21中国科学院地理科学与资源研究所, 北京100101) 摘要:建立城镇产业布局基础空间信息数据库的目的是避免城镇基础空间数据集的重复采集, 减少浪费, 协调空间数据的使用, 加强对信息资源有效而经济的管理。针对城镇产业布局分析中对基础数据的实际要求, 综合利用地理信息系统技术、数据库技术和空间数据库引擎技术, 设计了城镇产业布局基础空间信息数据库的系统框架结构和建库技术路线, 并在此基础上建立了一套分布式城镇产业布局数据库原型系统。该系统能够对城镇产业布局分析相关的海量空间数据进行有效的组织、管理和应用, 并预留了数据接口, 分析软件提供数据支持服务。此外, , 设决策提供数据支持。

关键词:数据库; 地理信息系统; 空间数据库引擎

文章编号:100020585(2010) 0120173208

1　　　, 利用信息技术支持国家新城镇-[1～4]。在城市化发展的背景下, 综合运用GIS 空间分析技术, 以定性分析与定量分析相结合的方式来研究城镇发展的历史与现状特征得到了政府和学术界的广泛关注[5～10]。在这个过程当中, 基础空间信息数据库是决策科学化的坚实基础。但是, 由于空间数据特有的多尺度、多类型、多来源等特点, 使得空间数据库的建设过程中还存在很多细节问题。另外, 大量的基础地理空间信息还分散在各个单位或部门, 而各个单位或部门的建库标准也不完全统一, 无法实现空间信息的交换与共享, 缺乏有效的整合与统一的管理[11]。

　　面对不断增长的基础地理空间信息数据, 设计一个完善的空间数据库基本框架, 建立一套有效的数据存储与交换标准, 实现海量空间数据和属性数据的有机集成, 有效存储和管理, 并在此基础上实现便利的空间检索、查询和各种空间分析操作, 是当前空间数据库建设过程中的重要内容[12]。同时, 建立基础空间数据库还能推动基础地理空间数据集的不重复采集, 减少浪费, 协调地理空间数据的使用, 加强对地理信息资源有效而经济的管理[13]。本文综合利用地理信息系统技术、数据库技术和空间数据库引擎技术, 提出了基于SQL Server 和ArcSD E 技术构建城镇产业布局基础空间信息数据库的基本方法, 并在　　收稿日期:2009202205; 修订日期:2009207226

　　基金项目:“十一五”国家科技支撑计划重大项目“小城镇产业布局分析系统开发”(2006BAJ 05A06)

　　作者简介:曹云刚(19782) , 男, 四川成都人, 博士, 讲师。主要从事资源环境遥感应用与GIS 研究。　3通讯作者:朱晓华, 博士, 副研究员。E 2mail :zhuxh @igsnrr 1ac 1cn.

　174地　　理　　研　　究29卷该方法之上建立了数据库模型系统, 可用于城镇产业布局空间信息数据的有效组织、管理和应用。

2　数据库系统总体设计

211　数据库系统建设目标

　　通常来说, 数据库建设是把不同部门与来源的数据, 按照统一的标准与规范组织到数据库中的过程。空间数据库建设的基本方法如图1。城镇产业布局基础空间信息数据库建设的总体目标是:以信息化建设需求为基础, 参考相关行业标准和规范, 应用地理信息技术、数据库技术和网络技术等, 建立空间数据管理总体框架和空间数据库详细设计方案, 完成空间数据库管理系统的开发和空间数据的建库。本系统可建成一个多尺度(包括1∶100万、1∶10万等生态环境专题数据, 1∶5万、1∶1万等基础地理信息数据、D EM 数据, 多分辨率遥感影像数据等) 、多源数据类型(包括栅格数据、矢量数据、属性数据等) 的城镇产业布局基础空间信息数据库, 实现对海量空间数据有效管理和应用

。

图1　空间数据库建设的基本方法

Fig 11　The basic approach of spatial database development

212　数据库系统技术路线

　　城镇产业布局基础空间信息数据库总体技术方案设计在充分考虑实际应用环境及应用需求的基础上, 结合国内已有的一些大型资源环境数据库的建库经验来完成。数据库总体技术方案设计中, 最终以大型关系数据库Micro soft SQL Server 为核心, 采用空间数据库引擎ArcSDE 实现空间数据在数据库中的集成管理。数据库系统主要包括基础空间信息数据库和数据库管理系统两个部分。基础空间信息数据库采用Geodatabase 建库模式, 将栅格矢量数据进行一体化存储; 数据库管理系统采用C/S 模式, 基于VB 1net 和Arc Engine 组件进行开发, 并通过ArcSD E 来进行空间数据的有效管理。整个数据库系统的技术路线如图2。

213　数据库系统体系结构

　　数据库系统的体系结构是数据库总体框架结构的核心部分, 它决定数据库的运行效率和稳定性。城镇产业布局基础空间信息数据库采用标准的3层体系结构如图3所示。　　其中, 数据层采用Microsoft SQL Server 2005关系型数据库系统和ArcSD E 空间数

　1期曹云刚等:城镇产业布局基础空间信息数据库系统的设计与实现　

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图2　Fig 12　The

development

图3　城镇产业布局基础空间信息数据库体系结构

Fig 13　The architecture of urban f undamental spatial database

　176地　　理　　研　　究29卷据引擎实现对空间信息数据以及属性数据的高效存储和管理; 逻辑层使用ArcSDE 空间数据引擎实现对空间数据的访问, 并基于Arc GIS Engine 技术构建空间信息综合应用开发平台, 实现空间数据应用的业务逻辑, 如空间数据的表现和操作; 应用层将通过预留的接口与其他城镇决策分析系统实现数据链接。采用3层架构的开发模式, 可以在数据层(服务器端) 对数据的访问进行安全限制, 可以对数据进行集中备份和恢复, 保证数据的一致性和完整性。

3　数据库系统详细设计

311　数据库逻辑结构

　　数据库设计时应遵循“数据和应用分离”的基本原则, 所有数据资源集中管理、集中维护, 分布使用。空间数据、非空间数据分开存储, 空间数据和非空间数据之间通过相关特征进行关联和体现, 实现数据间的动态互访[14]。基于以上原则, 在数据库详细设计时需要综合考虑数据尺度、数据来源、数据类型等诸多因素, 才能构建出开放的、灵活的数据库系统。城镇产业布局基础空间信息数据库的逻辑结构如图4所示

。

图4　数据库逻辑结构图

Fig 14　The logic structure diagram of urban fundamental spatial database

312　数据库组织结构

　　(1) 空间数据与属性数据集成

　　本系统中包含大量的空间数据与非空间数据, 使用时需要将两者联系起来。在对空间数据查询需求的基础上创建相关的属性表, 在这些属性表和ArcSDE 业务表都有一列相同域的属性字段(如行政区代码、行业类型代码等) , 通过这些属性字段可以将空间数据和属性数据联系起来, 这样就实现了空间数据和属性数据的集成。

　　(2) 矢量栅格数据一体化存储

　　空间数据存储采用Geodatabase 数据模型统一存储到关系数据库中。Geodatabase 是按照一定的模型和规则组合起来的地理要素集, 实现在同一模型框架下对所有地理空间要素的统一描述。它支持要素间的拓扑关系、复杂网络和要素之间的关系和其他面向对象要素。相对于其他的空间数据模型而言, Geodatabase 主要具有以下优势:实现在同一数据库中统一管理各种类型的空间数据; 可管理连续的空间数据, 无需分幅分块; 支持空间数据的版本管理和多用户并发操作; 空间数据的导入、编辑和表达更为精确等。

　1期曹云刚等:城镇产业布局基础空间信息数据库系统的设计与实现　177313　数据分类与编码

　　城镇产业布局基础空间信息数据库涉及的数据主要有两大类:空间数据与非空间数据。其中, 空间数据包括基础地理数据类、栅格与遥感影像类、生态环境专题类等, 空间数据采用Arc GIS Geodatabase 数据模型在数据库系统中进行存储。非空间数据, 也就是与城镇产业布局分析相关的属性数据, 包括国家统计数据类, 通过遥感数据分析、地面调查等途径获得的多种专题数据类、元数据等。

　　城镇产业布局基础空间信息数据库中的数据来自于不同途径, 而且没有固定的数据标准。面对如此大量的数据源, 在数据库建库时需要确定严格的数据标准以及选择一种有效的数据组织方式。对于这些数据的分类及编码方法按照如下原则进行:即一定的应用目标与分类规则, 根据信息的本质特征与语义内涵, 首先将数据分成若干个大类, 每个大类再分为若干个小类, 小类又续分为一级类, 依此逐渐细分, 直到出现满足需要的分类粒度与数据粒度[15]。同时, 按照信息的类型与从属关系构造一个有层次级别的排列顺序, 上一层级别类是下一层级别类的父类。一个上层级别类划分为若干下一层级别类。同级别类之间形成并列关系, 不能相互交叉重叠, 并对应同一上层级别类[16]。

　　根据上述原则, , 的数据模型, 首先按照比例尺进行分类, ; , 则按照数据源类型进行分类。, (分为国家级、省级、市级、县级、乡镇级等) , (如产业数据、生态环境统计数据) 。在对属性数, (时间+行政代码+行业代码) , 作为5

。

图5　数据库分类及详细结构图

Fig 15　The detailed design of urban fundamental spatial database

314　数据交换标准

●　空间数据坐标参考基准

　　■　大地基准:1980西安坐标系

　　■　高程基准:1985国家高程基准

●　数据共享格式

　178地　　理　　研　　究29卷　　■　属性数据:Excel

　　■　矢量数据:Shape

　　■　DEM 数据:Geo TIFF

　　■　遥感影像数据:Geo TIFF

4　数据库管理系统设计

411　数据库管理系统功能结构

　　城镇产业布局基础空间信息数据库管理系统针对城镇空间数据库的结构特点, 城镇空间数据的分发及使用特点, 在软件工程技术、计算机网络技术、GIS 技术和数据库技术的支持下进行开发建设。系统采用一体化的数据管理模式, 实现矢量数据与栅格数据, 空间数据与属性数据的统一管理。系统功能结构如图6所示

。

6数据库管理系统功能结构图

6f unctional structure of database management system

412　数据库管理系统功能模块

　　数据库管理系统分为4个功能模块:系统管理模块、数据入库模块、数据查询分析模块和数据管理模块。

　　(1) 系统管理模块　包括用户管理、日志管理和数据备份恢复。其中, 用户管理实现增加、删除用户, 赋予和修改用户的信息或权限等功能; 日志管理实现系统日志显示、统计、查询和打印等功能; 数据备份提供数据库的备份功能, 以防止突发事故对数据库造成的破坏; 数据恢复实现根据数据库的备份信息自动对数据库进行恢复的功能。　　(2) 数据入库模块　包括入库数据检查、空间数据入库、属性数据入库。入库检查根据数据库标准对数据的完整性、拓扑关系的正确性、属性字段的完整性、属性数据的合理性进行检查监理, 保证最终输入到数据库中的数据的准确性; 空间数据入库实现各种空间数据的批量入库; 属性数据入库实现相关属性信息的批量入库功能。

　　(3) 数据查询分析模块　主要实现不同数据之间(如基础地理信息与专题图、遥感影像等) 的叠加显示, 提供由空间数据到属性数据和由属性数据到空间数据的相互查询定位以及空间分析、统计分析、统计成图等功能。

　　(4) 数据管理模块　包括数据更新和数据提取。其中, 数据更新提供属性数据的修改功能, 提供矢量空间数据的在线编辑功能等; 数据提取提供从数据库中下载空间数据和属性数据的功能。

　1期曹云刚等:城镇产业布局基础空间信息数据库系统的设计与实现　1795　结语

　　目前, 基于空间数据库引擎、关系型数据库的空间数据库构建技术在各行业中已经得到了广泛的应用和推广。本文以城镇产业布局基础空间信息数据库建设为例, 详细阐述了空间数据库的建库模式以及城镇产业布局基础空间信息数据库的总体设计方案。整个数据库采用空间数据与非空间数据分别建库的方法, 非空间数据采用常用的关系型数据库建库方案, 而空间数据则采用矢量栅格统一的空间地理数据模型Geodatabase , 并利用空间数据库引擎将数据统一于关系数据库中进行管理。此外, 在数据库建库过程中, 通过建立完善的元数据库系统, 全方位存储相关的元数据信息, 可更好地对数据进行组织和管理。　　城镇产业布局基础空间信息数据库系统的实现, 可以有效地对相关数据实现标准化组织和管理, 同时可实现不同用户之间产业布局信息的交换与共享。通过系统预留的接口, 本系统还可为相关产业布局分析系统提供标准化的数据支持服务, 提高各用户对数据利用的效率。因此, 该系统可应用于小城镇层次上各规划部门、国土资源部门等, 以实现资源整合与共享。当然, 在整个数据库建设和使用过程中还存在着数据标准不一致数据共享权限界定、数据传输瓶颈等相关问题, , 因此以后的研究工作应集中在上述内容中。

　　, 、多尺度、。

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　180地　　理　　研　　究29卷

The design and implementation of urban

industrial layout f und amental spatial database

CAO Yun 2gang 1, ZHU Xiao 2hua 2, DIN G Jing 2jing 2

(11Department of Survey Engineering , School of Civil Engineering , Southwest Jiaotong University ,

Chengdu 610031, China ; 　2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources

Research , CAS , Beijing 100101, China )

Abstract :The f unction of f undamental spatial database is to avoid redundant collection of spatial dataset s , to coordinate spatial data applicatio n , and to strengt hen information re 2sources management effectively and economically. Based on t he geograp hic information system technology , database technology and spatial database engine technology paper p ut forward t he technological f ramework to const ruct indust rial spatial database. In t his database , spatial database rial data 2base are logical disjunction but storage in t he The data st ruct ure used in spatial data by ESRI. In t he Geodatabase data model , raster dataset are stored in t he rela 2tional database engine. On t he ot her hand , metadata data 2base is benefit management.

　　Beyo , we also achieved a set of dist ributed database prototype system for t he effective organization , management and applications of massive spatial data. This sys 2tem is developed by Micro soft Visual St udio 2005and Arc Engine 9. 2based on client/server st ruct ure wit h four modules , which are system management module , data warehou 2sing module , query and analysis module and data management module. System manage 2ment module p rovides t he f unctions for user management , log management , database backup and recovery. Data warehousing module provides t he f unctions for importing in 2dust rial information and spatial data into database , spatial data quality check , etc. Query and analysis module p rovides t he f unctions for spatial query and att ribute query , statistical analysis , while data management module provides t he f unctions for data updating and sha 2ring.

　　Wit h t he aid of t his system , data administ rators can manage t he indust rial layout f un 2damental spatial database t hrough network. Different depart ment s and users can share t heir data effectively. Decision 2makers for urban indust rial layout can also achieve support 2ing information fro m t he system.

K ey w ords :database ; geograp hic information system ; spatial database engine